Термоелектричний агротестер

Реферат: UA 90794 U UA 90794 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області термоелектричного перетворення енергії, а саме до використання термоелектричних перетворювачів у метрології при проведенні вимірювань в області агрометеорологічних досліджень. У даний час практично не існує прямих методів вимірювання теплових потоків у ґрунтах. Теплові потоки в них зазвичай розраховуються по вимірюваннях градієнтів температури та за визначеними відомими способами коефіцієнтами теплопровідності або температуропровідності. Якщо вимірювання температур на фіксованих відстанях, необхідних для знаходження градієнтів температури здійснюються достатньо просто, причому легко можуть бути налагоджені не тільки вимірювання температури, але і її непереривна реєстрація безпосередньо в природних умовах, то для знаходження вказаних коефіцієнтів більшість методів потребує взяття проб. Оскільки методи визначення коефіцієнтів теплопровідності чи температуропровідності не відрізняються великою точністю, вони не дають можливості скласти уявлення про їх непереривні зміни з часом, що мають місце в природі. Між тим, для ряду практичних задач необхідно мати метод вимірювання потоків тепла. Відомі конструкції термометрів різних типів для вимірювання температури будь-якого середовища [1]. Термометри розрізняють за конструктивним виконанням і принципом дії. Їх поділяють на рідинні, термоелектричні, деформаційні і термометри противаги. Рідинні термометри використовують принцип зміни об'єму рідини зі зміною температури. Як рідину в таких термометрах використовують ртуть або спирт. Ртутні термометри більш чуттєві, але ртуть замерзає при -38,9°. Тому для вимірювання низьких температур користуються спиртовими термометрами. Термоелектричні термометри засновані на зміні електрорухомої сили термопар, виникаючої внаслідок різниці температур спаїв. Термопари метрологічного призначення можуть бути виготовлені із різних металів (мідь-константан, хромель-копель і т.і.). Термометри противаги базуються на принципі зміни опору провідників і напівпровідників зі зміною температури. В деформаційних термометрах використовується принцип зміни лінійних розмірів твердих тіл зі зміною температури. Приймачем таких термометрів є біметалічна пластинка або пружина з міді і заліза. Більшість із згаданих типів термометрів у зв'язку з особливостями конструктивного виконання, принципу дії і технічних характеристик є малопридатними для вимірювань температури ґрунту, особливо за його профілем, в силу специфіки такого середовища, яким є ґрунт, теплофізичні характеристики якого залежать від багатьох взаємопов'язаних факторів, що постійно змінюються. Серед термометрів, призначених для вимірювання температури ґрунту відомі толуоловий термометр-щуп АМ-6; термометри опору АМ-2М, АМ-29; термотранзисторні термометри ТЭТ-2; ТЭЦ-2; максимально-мінімальні манометричні термометри AM-17; термометр у вигляді коробки Низенкова та ін. [2]. Відомий [3] також колінчатий термометр Савинова типу ТМ-5, який представляє собою ртутний термометр з капіляром, подовженим на ділянці між резервуаром і початком шкали та зігнутим у цій частині під кутом 135°. Такі термометри встановлюються у ґрунті стаціонарно на глибині 5, 10, 15, 20 (см), що є істотним недоліком такого термометра. Крім цього точність вимірювань термометром Савинова складає ±0,5 °C. При необхідності визначення температури ґрунту на більших глибинах застосовують так звані витяжні термометри [4], які конструктивно виконані у вигляді розміщеного в металеву оправу ртутного термометра, закріпленого на дерев'яній палиці. Для встановлення витяжних термометрів на кожну задану глибину пробурюють свердловину і вводять в неї ебонітову трубку з металевим дном, у яку опускають термометр до утворення його контакту з дном. Недоліком витяжних термометрів є їх стаціонарність, складність встановлення, необхідність витягування термометра з обсадних трубок для зняття показань, мала точність вимірювань. Найближчим аналогом є прилад "Агротестер" [5-6], який складається з цифрового електронного вимірювального блока на світлодіодах і датчика-бура для вимірювання вологості і температури ґрунту. Датчик "Агротестера" влаштований так, що його дві круглі шнекоподібні лопатні служать і засобом занурення датчика на задану глибину і засобом вимірювання, тобто конденсатором, у якому середовищем між обкладинками-лопатнями є ґрунт. Прилад "Агротестер" споживає 1,5 Вт електроенергії від автономного живлення на акумуляторах. Перевагою такого приладу є те, що він значно краще пристосований для практичного застосування. Для його використання не потрібно закладати в ґрунт стаціонарні обсади і труби. Датчик приладу занурюється в ґрунт і виймається після завершення вимірювань. Цінним є також і те, що датчик "Агро тестера" з телескопічною трубою кріпиться до вимірювального 1 UA 90794 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 пристрою і становить з ним єдине ціле, що створює додаткові зручності при його використанні в польових умовах. Однак, сам "Агротестер" і метод вимірювання параметрів ґрунту шляхом визначення комплексного опору на двох частотах є малоефективним і непридатним для ґрунту. Дослідження показали, що на результати вимірювань, які приводяться на будь-яких двох частотах, практично однаково впливають одні і ті ж параметри ґрунту: вологість, температура, щільність, хімічний і механічний склад та ін. Точність вимірювання температури таким приладом у діапазоні температур від 0 до 50 °C не перевищувала ±1 °C. При цьому прилад "Агротестер", як і вищезазначені аналоги не забезпечував можливості визначення величини питомого теплового потоку, який протікає через заданий для вимірювання горизонт ґрунту. Задачею корисної моделі є усунення недоліків, характерних для аналогів і прототипу, з метою створення простого в користуванні, високоточного автономного приладу, що дозволятиме прямим методом вимірювати температуру і величину питомого теплового потоку в ґрунті. Поставлена задача вирішується тим, що термоелектричний агротестер складається з: - пустотілого корпусу, виготовленого з теплоізоляційного матеріалу, захищеного по боковій поверхні металевим кожухом, який не має теплового контакту з іншими конструктивними елементами агротестера; - верхнього теплообмінного елемента, що розміщується у пустотілій частині корпусу і має тепловий контакт з однією із робочих граней термобатареї та із поверхневим шаром ґрунту; - нижнього теплообмінного елемента, що розташований в пустотілій частині корпусу і має тепловий контакт з протилежною робочою гранню термобатареї, причому нижня частина теплообмінного елемента, виготовлена у вигляді шнека, стикується з корпусом і кожухом через теплоізоляційну прокладку і контактує з ґрунтом на заданій глибині; - датчика температури поверхні ґрунту; - багатоелементної термобатареї з попередньо встановленими залежностями її термоелектрорушійної сили від величини градієнта температури на робочих гранях термобатареї і величини теплового потоку, що проходить через неї, причому одна з робочих граней термобатареї має тепловий контакт з теплообмінним елементом, розташованим всередині корпусу, друга - з теплообмінним елементом - шнеком, бокові грані термобатареї є адіабатично ізольованими, а термобатарея в режимі генерації електричної потужності при її розміщенні в ґрунті одночасно виконує функцію зарядного пристрою для акумулятора електричної енергії. Причому термоелектричний агротестер конструктивно виконується таким чином, що в залежності від напрямку теплового потоку в ґрунті теплообмінні елементи, що контактують з термобатареєю можуть функціонально взаємозаміняти один одного по тепловому режиму роботи термобатареї. Крім цього, для зменшення величини збурень теплового стану ґрунту при проведенні вимірювань теплообмінний елемент-шнек виготовляється із матеріалів, що мають коефіцієнти теплопровідності аналогічні коефіцієнтам теплопровідності різних типів ґрунтів. Відповідність критерію "новизна" запропонованому пристрою забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. У корисній моделі запропоновано нове технічне рішення для приладів, призначених для прямого методу вимірювання теплових характеристик ґрунту за його профілем. Зокрема температури ґрунту і величини питомого теплового потоку, що проходить через досліджуваний горизонт ґрунту. Новизна рішення полягає в тому, що як вимірювальний датчик використовується багатоелементна термоелектрична батарея з попередньо встановленими залежностями її термоелектрорушійної сили від величини градієнта температури на її робочих гранях, що утворюються за допомогою верхнього і нижнього теплообмінних елементів, розташованих в пустотілому теплоізольованому від інших конструктивних елементів корпусі, між поверхнею ґрунту і досліджуваним горизонтом ґрунту та величини питомого теплового потоку, що проходить при цьому, через термобатарею; при цьому термобатарея в режимі генерації електричної потужності, при розташуванні термобатареї в ґрунті, одночасно виконує роль зарядного пристрою для електричного акумулятора. Крім цього новизна запропонованого рішення полягає в тому, що в залежності від напрямку теплового потоку в ґрунті теплообмінні елементи термоелектричного агротестера можуть функціонально заміняти один одного по тепловому режиму роботи термобатареї. А для зменшення величини збурень теплового стану ґрунту при проведенні вимірювань теплообмінний елемент-шнек виготовляється з матеріалу, що має аналогічний до ґрунту коефіцієнт теплопровідності. 2 UA 90794 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, а його реалізація можлива на існуючих підприємствах термоелектричного приладобудування. Суть корисної моделі представлена на кресленні, де: 1 - пустотілий корпус; 2 - металевий кожух; 3, 4 - верхній і нижній теплообмінні елементи; 5 - багатоелементна термоелектрична батарея; 6 - адіабатична теплоізоляція термобатареї; 7 - теплоізоляційна прокладка; 8 цифровий вимірювальний блок; 9 - акумулятор електричної енергії, 10 - датчик температури поверхні ґрунту. Термоелектричний агротестер, наведений на кресленні, містить: - пустотілий корпус 1, виготовлений із теплоізоляційного матеріалу, захищеного по боковій поверхні металевим кожухом 2, теплоізоляція якого від інших конструктивних елементів забезпечується теплообмінними прокладками 7; - теплообмінні елементи: верхній теплообмінний елемент 3 і нижній теплообмінний елементшнек 4, які мають тепловий контакт з робочими гранями термобатареї 5, бокові грані якої є адіабатично ізольованими за допомогою теплоізоляції 6, причому верхній теплообмінний елемент контактує також із поверхнею ґрунту, а нижня частина теплообмінного елемента-шнеки контактує з ґрунтом на заданій глибині; - цифровий вимірювальний блок 8 для візуалізації результатів вимірювання; - електроакумулюючий пристрій 9 для накопичування електричної енергії генерованої термобатареєю 5 при її розташуванні в ґрунті для забезпечення роботи цифрового вимірювального блока 8. - датчик температури поверхні ґрунту 10. Працює термоелектричний агротестер наступним чином. При заглиблені приладу в ґрунт на задану глибину виникає різниця температур ΔT, що існує на поверхні ґрунту і на досліджуваному горизонті ґрунту. За допомогою теплообмінних елементів ця різниця температур буде створюватися на робочих гранях термоелектричної батареї, а через термобатарею проходитиме тепловий потік, зумовлений цією різницею температур. Так як в агротестері використовується термоелектрична батарея, з наперед відомими залежностями її термоЕРС від градієнта температури ΔT і від величини питомого теплового потоку q, які як відомо, [7-8], мають лінійний характер, то за величиною термоЕРС можна з високою точністю визначати величини ΔT і q, оскільки вимірювання температури поверхні ґрунту є доволі простим. Обробку вихідних даних здійснює електронний цифровий блок, який візуалізує конечний результат виміру. Водночас, при розташуванні багатоелементної батареї в ґрунті, вона функціонуватиме і як джерело електричної енергії [9], потужності якого, цілком достатньо для зарядки акумулятора електричної енергії, від якого живиться термоелектричний агротестер. Для початкової зарядки акумулятора електричної енергії достатньо заглибити прилад на деякий час у ґрунт. Особливістю вимірювання величини теплового потоку є те, що протягом певного періоду часу (наприклад доби) тепловий потік може змінювати свій напрямок на протилежний [10]. Однак, це не створюватиме проблем при визначенні його величини за допомогою термоелектричного агротестера, який при цьому зафіксує значення величини q з протилежним знаком. Таким чином, запропонована конструкція термоелектричного агротестера, у якій відсутні недоліки, характерні для прототипу дозволяє вимірювати не лише температуру ґрунту, а і величину теплового потоку, який проходить через заданий горизонт ґрунту. Джерела інформації:: 1. Олейник Б.Н., Лаздина СИ. и др. Приборы и методы температурних измерений// М.: Издво стандартов, 1987. - 206 с. 2. Полякова Л.С, Кашарин Д.В. Учебное пособие "Метеорология и климатология". Новочеркасск. - НГМА, 2004. - 107 с. 3. ГОСТ 112-78. Термометры метеорологические стеклянные. Технические условия. 4. Вытяжной почвенно-глубинный термометр. Патент Российской Федерации № 205 7305. 5. Влагомер почвы "Агрогестер" Руководство по эксплуатации УХ 2.940.063. РЭ. 6. Звіт про науково-дослідну роботу "Розробити автоматизовану систему контроль вологості, температури ґрунту та інших агрометеорологічних параметрів". УКР НДІ Ml. Київ. 1997 p. 7. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник - К.: Наук. думка, 1979. - 768 с. 8. Микитюк П.Д., Марущак Л.Д. "Особливості роботи ґрунтового термоелектричного генератора в зимово-весняний період"// Термоелектрика. - 2008. - № 4. - С. 83-86. 3 UA 90794 U 9. Микитюк П.Д. Прилади термоелектричного перетворення теплової енергії ґрунту: Дисертація кандидата фіз.-мат. наук: 01.04.01., Ч. 2004. 10. Чудновский А.Ф. Теплофизика почв. - М.: Наука, 1976 г. 5 10 15 20 25 30 35 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Термоелектричний агротестер, що містить корпус з нанесеною на його зовнішню поверхню шкалою, цифровий вимірювальний блок на світлодіодах, датчик температури, засіб для заглиблення датчика в ґрунт, виготовлений у вигляді шнека, акумулятор електричної енергії, з'єднувальний шнур, який відрізняється тим, що складається з: пустотілого корпусу, виготовленого з теплоізоляційного матеріалу, захищеного по боковій поверхні металевим кожухом, який не має теплового контакту з іншими конструктивними елементами термоелектричного агротестера, а контактує з ними лише через теплоізоляційні прокладки; верхнього теплообмінного елемента, що розміщується у пустотілій частині корпусу і має тепловий контакт з однією із робочих граней термобатареї та із поверхневим шаром ґрунту і приповерхневим шаром повітря; нижнього теплообмінного елемента, що розташований в пустотілій частині корпусу і має тепловий контакт з протилежною робочою гранню термобатареї, причому нижня частина теплообмінного елемента виготовлена у вигляді шнека, стикується з корпусом і кожухом через теплоізоляційну прокладку і контактує з ґрунтом на заданій глибині заглиблення агротестера; датчика температури поверхні ґрунту; багатоелементної термоелектричної батареї з попередньо встановленими залежностями її термоелектрорушійної сили від величини градієнта температури на робочих гранях термобатареї і величини теплового потоку, що проходить через неї, причому одна з робочих граней термобатареї має тепловий контакт з теплообмінним елементом, розташованим всередині корпусу, друга - з теплообмінним елементом - шнеком, бокові грані термобатареї є адіабатично ізольованими, а термобатарея, при її розташуванні в ґрунті може виконувати роль зарядного пристрою для електричного акумулятора термоелектричного агротестера. 2. Термоелектричний агротестер за п. 1, який відрізняється тим, що в залежності від напрямку теплового потоку в ґрунті теплообмінні елементи можуть функціонально взаємозаміняти один одного по тепловому режиму роботи термобатареї. 3. Термоелектричний агротестер за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що для зменшення величини збурень теплового стану ґрунту теплообмінний елемент, шнек виготовляються із матеріалу з коефіцієнтом теплопровідності, що відповідає коефіцієнту теплопровідності ґрунту. 4 UA 90794 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5